В статье рассматриваются возможности комбинирования холодного газодинамического напыления (ХГДН) с различными энергетическими воздействиями для улучшения свойств формируемых покрытий и расширения области применения технологии. Представлена классификация комбинированных методов ХГДН. Описаны механизмы воздействия каждого из этих методов на структуру и свойства покрытий, а также приведены примеры практического применения комбинированных технологий для создания покрытий с улучшенными характеристиками в области износостойкости, коррозионной стойкости и адгезионной прочности. Предложен подход к разработке математических моделей комбинированных технологий на базе ХГДН.

Ключевые слова: ХГДН, комбинированные технологии, адгезия, пористость, УЗК, энергетическое воздействие.

Введение. ХГДН — это технология нанесения покрытий, основанная на ускорении частиц порошка в сверхзвуковом потоке газа и их последующем ударе о подложку, в результате чего происходит пластическая деформация и формирование покрытия [1]. ХГДН имеет ряд преимуществ, таких как низкая температура процесса, возможность нанесения покрытий из различных материалов, высокая производительность. Однако, существенными недостатками ХГДН являются относительно невысокая адгезионная прочность покрытия к подложке и наличие некоторой пористости, что ограничивает область применения технологии [1, 2].

Технология ХГДН имеет ряд ограничений, которые затрудняют её широкое применение: ограниченный выбор материалов, недостаточная адгезия, ограниченная микроструктура, сложность напыления сложных геометрий, требования к предварительной подготовке поверхности. В связи с высокими требованиями к функциональным покрытиям, для преодоления перечисленных ограничений активно исследуются возможности комбинирования ХГДН с другими технологическими воздействиями, такими как энергетические (ультразвук, лазерное излучение, плазма, магнитное поле) и механические (ультразвуковая обработка, поверхностное пластическое деформирование). Комбинирование позволяет достичь синергетического эффекта и получить покрытия с улучшенными эксплуатационными свойствами, недостижимыми при использовании каждого процесса по отдельности.

Комбинирование ХГДН с энергетическими воздействиями открывает возможности для формирования покрытий с градиентным составом, наноструктурированных материалов и композиционных слоев, что позволяет создавать функциональные покрытия с заданными свойствами [2, 3]. Энергетические воздействия могут улучшить процесс формирования покрытия, повысить адгезию частиц к подложке и снизить потери материала [2, 4]. Разработка комбинированных методов ХГДН позволяет расширить области применения технологии в таких отраслях, как авиакосмическая, автомобильная, энергетическая, химическая и биомедицинская промышленность, за счет создания покрытий с уникальными свойствами и характеристиками [2, 5, 6]. ХГДН является экологически чистой технологией.

Основная часть. Комбинирование ХГДН с другими энергетическими воздействиями позволяет преодолеть ограничения традиционного ХГДН и удовлетворить растущие требования к функциональным покрытиям.

1. Расширение спектра напыляемых материалов. Комбинирование ХГДН с энергетическими воздействиями (ультразвук, плазма, лазер) позволяет активировать поверхность подложки и частиц, повысить их температуру и пластичность, что способствует формированию прочных и плотных покрытий из широкого спектра материалов. Плазменная обработка поверхности перед напылением может улучшить адгезию керамических покрытий за счет очистки и активации поверхности. Ультразвуковое воздействие может снизить энергию активации процесса соединения частиц, что способствует формированию более плотных покрытий.

2. Улучшение адгезии. Магнитное поле может направлять частицы к подложке и увеличивать их энергию удара, что повышает адгезию. Ультразвуковые колебания могут создавать микросварку между частицами и подложкой, улучшая адгезию.

3. Контроль микроструктуры. Лазерное излучение может использоваться для оплавления поверхности покрытия после напыления, уменьшая пористость и улучшая механические свойства. Параметры плазмы (температура, давление, состав газа) могут быть настроены для управления микроструктурой покрытия (размер зерен, фазовый состав).

4. Напыление сложных геометрий. Магнитное поле может использоваться для направления частиц в труднодоступные места, обеспечивая более равномерное покрытие.

Существуют различные подходы к комбинированию ХГДН с другими технологическими воздействиями (табл. 1). В таблице 2 представлены примеры практического применения комбинированных технологий ХГДН.

Математическое моделирование комбинированных технологических процессов обработки. Для описания комбинированных технологических процессов на базе ХГНД необходимо учитывать взаимодействие нескольких физических явлений. Математические модели позволяют прогнозировать влияние различных факторов на свойства покрытий и оптимизировать параметры комбинированных процессов, что способствует снижению затрат и повышению эффективности производства [7].

Таблица 1

Классификация комбинированных технологий ХГДН

Математическая модель может быть представлена в виде системы уравнений, описывающих: движение частиц в газовом потоке; удар частиц о подложку; деформацию частицы и подложки; адгезию частицы к подложке; влияние энергетического или механического воздействия на свойства материала и процессы деформации и адгезии:

1. Уравнение движения частицы: m _p *dv _p /dt = F _d +F _к +F _a +F _e , (1)

где F _e – внешняя сила, обусловленная энергетическим или механическим воздействием.

2. Уравнение состояния материала: σ = f(ε, έ, T, e) , (2)

где: σ — напряжение, ε - деформация, έ — скорость деформации, T — температура, e — параметры внешнего воздействия.

3. Уравнение адгезии: F _a = g(A _c , Ra, m _p , v _p , e) , (3)

где: A _c — площадь контакта, Ra — шероховатость поверхности, m _p — масса частицы, v _p — скорость частицы.

Таблица 2

Примеры практического применения комбинированных технологий ХГДН

Конкретный вид уравнений (1)-(3) зависит от выбранной модели и типа комбинируемой технологии. Например, при комбинировании ХГДН с ультразвуковыми колебаниями, в уравнение (1) добавляется сила, обусловленная воздействием УЗК. При комбинировании ХГН с лазерным излучением необходимо учитывать нагрев материала и изменение его свойств в зависимости от температуры. В этом случае в уравнение (2) добавляется член, учитывающий влияние температуры на предел текучести материала.

Для описания комбинированных процессов ХГДН необходимо разрабатывать комплексные математические модели, учитывающие особенности каждого из используемых воздействий [7].

В качестве примера рассмотрим модель комбинирования ХГДН с ультразвуковыми колебаниями (УЗК) подложки.

Уравнение движения частицы в газовом потоке с учетом УЗК на подложке можно записать в виде:

m _p * dv _p /dt = F _d + F _к + F _a , (4)

где: m _p – масса частицы; v _p – вектор скорости частицы; F _d – вектор силы аэродинамического сопротивления; F _к — вектор силы контактного взаимодействия между частицей и поверхностью; F _{a —} вектор силы адгезии.

Сила контактного взаимодействия F _к зависит от перемещения поверхности подложки под действием УЗК:

F _к = -k * (z _p (t) — z _s (t) — w _изн (t)) — c * (v _p z(t) — v _s (t)) , (5)

где: k — коэффициент жесткости контактного взаимодействия; c — коэффициент демпфирования контактного взаимодействия; z _p (t) — координата z частицы в момент времени t ; z _s (t) = A _УЗ * sin (ω _УЗ * t) — координата z поверхности подложки под действием УЗК; A _УЗ – амплитуда ультразвуковых колебаний; ω _УЗ – угловая частота ультразвуковых колебаний; w _изн (t) — величина износа поверхности подложки; v _p z(t) — скорость частицы в направлении оси z , v _s (t) — скорость поверхности подложки.

Суммарная сила адгезии между частицей и поверхностью подложки может быть представлена как сумма нескольких составляющих:

F _а = F _v dW + F _э + F _кап + F _х + F _уз , (6)

где F _v dW — сила Ван-дер-Ваальса; F _э — электростатическая сила; F _кап — капиллярная сила (при наличии влаги); F _х — сила химической связи; F _уз — сила, обусловленная ультразвуковым воздействием.

F _уз = k _уз * A _уз * ω _уз * A _к * φ(Ra) , (7)

где: k _уз — коэффициент, характеризующий влияние УЗК на адгезию (определяется экспериментально); A _уз — амплитуда УЗК, ω _{уз —} угловая частота УЗК A _{к —} площадь контакта; φ(Ra) — функция, описывающая влияние шероховатости.

Ультразвуковое воздействие может влиять на адгезию несколькими способами: увеличение площади контакта; снижение сил трения; активация поверхности.

Заключение. Комбинирование ХГДН с другими энергетическими воздействиями является перспективным направлением для улучшения эксплуатационных свойств покрытий и расширения области применения технологии. Представленная математическая модель позволяет описать основные физические процессы, происходящие при комбинировании воздействий, и прогнозировать свойства формируемых покрытий. Дальнейшие исследования в этой области направлены на разработку более точных моделей, учитывающих взаимодействие различных факторов, и на оптимизацию параметров комбинированных процессов для получения покрытий с заданными свойствами.

Литература:

1. Матвиенко С. А., Бачурин Н. Д. Концепция формирования функциональных покрытий методом холодного газодинамического напыления // В сборнике: Машиностроение и техносфера XXI века. Сборник трудов XXXI Международной научно-технической конференции. Донецк, 2024. С. 209–213.
2. Козлов И. А., Лещев К. А., Никифоров А. А., Демин С. А. Холодное газодинамическое напыление (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. № 8(90). С. 77–93.
3. Горунов А. И. Исследование упрочненного многослойного покрытия, полученного методом холодного газодинамического напыления с использованием лазера. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020;86(7):33–38. https://doi.org/10.26896/1028–6861–2020–86–7–33–38
4. Матвиенко С. А., Гончаров А. М. Повышение кавитационной стойкости гильз цилиндров форсированных дизелей // Студенческий научно-технический журнал. 2024. — № 1. — С. 56–59.
5. Задорожний Р. Н. Технология восстановления шатунов комбинированием электроискровой обработки и холодного газодинамического напыления порошков. Конструкторское Бюро. 2024;1
6. Чавдаров А. В., Толкачев А. А., Применение холодного газодинамического напыления (ХГДН) для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность малых диаметров. Сельскохозяйственная техника: обслуживание и ремонт. 2019;10.
7. С. А. Матвиенко, Ю. Н. Стрельник, Э. С. Савенко. Аналитическая модель процесса образования покрытия методом холодного газодинамического напыления // Современные проблемы теории машин. — Санкт-Петербург: НИЦ МС, 2025. № 19. С. 135–139.